Влияние большого времени Hold-off (dead time).




Измерение длинных времен

Измерение времен в диапазоне до нескольких сотен нс обычно проводится в режиме время-коррелированного счета (TCSPC). Для случая микро- и миллисекундного диапазона этот режим напрямую не применим, поэтому требуется его доработка либо применение других методов. Так, в статье [Note] описывается две схемы синхронизации фотоприемника и лазера для измерения длинных времен. В первом случае диапазон измерения разбивается на интервалы, в каждом из которых последовательно проводится счет фотонов время-коррелированным способом. Для этого необходимо выбирать достаточно широкий интервал, величина которого ограничена значением «Gate width» (окно стробирования) для ИК ЛФД приемников и максимальным диапазоном время-коррелированного счета, который составляет порядка 500 нс, и обеспечить точный сдвиг во времени во избежание наложения или разрывов при последующей сшивке данных. Второй вариант предполагает использование интервалов минимальной ширины с большой частотой следования (минимум в 100 раз чаще частоты следования лазерных импульсов). Синхронизация с лазером при этом организуется через делитель частоты. Синхронный режим дает полностью корректные данные, но требует дополнительное оборудование для синхронизации.

(в лабораторной использовался именно этот режим, как описано ниже:)

Также возможна работа в асинхронном режиме, также описанном в статье [Note]. Этот режим эквивалентен работе фотодиода в свободном режиме (free running mode). Отличие от полноценного свободного режима в том, что имеющееся стробирование позволяет регулировать чувствительность фотодиода и обеспечивает больший динамический диапазон и меньший шум. В асинхронном режиме приемный модуль запускается от собственного генератора стробирующих импульсов, не связанного со следованием лазерных импульсов, тогда реализуется случайное сканирование окном измерения всего интервала регистрации люминесценции. Метод обеспечивает корректный результат только при отсутствии корреляции между лазерными импульсами и внутренним генератором. Также не надо устанавливать кратные частоты следования импульсов лазера и стробирующих импульсов. Этот метод не требует применение дополнительного оборудования, но увеличивает время измерения, т.к. фотоприемник срабатывает не только в периоды измерения сигнала, но и в промежутки между ними, когда сигнала нет

 

 

Влияние большого времени Hold-off (dead time).

Из практики время-коррелированного счета известно, что для предотвращения Pile-Up эффекта один фотон люминесценции должен приходиться на 20, а лучше 100 периодов импульсов возбуждения. Искажения распределения отсчетов, подобные Pile-up эффекту, возникают и в других случаях. Даже в мультискалярном счете, который позволяет регистрировать более одного импульса за период.

В случае с ИК ЛФД подобный эффект возникает из-за большого значения времени Hold-Off, когда ЛФД не способен зарегистрировать второй импульс из-за того, что он отключен электроникой для того, чтобы дать время на рассасывание лавины и восстановление исходного состояния. Это занимает 10-20 микросекунд, в зависимости от напряжения смещения. Помимо того, что такой длительный период сильно ограничивает максимальную скорость счета фотонов и, учитывая достаточно высокий уровень шума, ограничивает и динамический диапазон, он также может искажать статистику распределения фотонов. Так, при измерении в интервале времен больше длительности Hold-Off, при определенной интенсивности сигнала становится хорошо заметен всплеск в распределении регистрируемых фотонов в точности через период Hold-Off после пика импульса люминесценции. Всплеск вызван окончанием периода пониженной вероятности регистрации импульсов и восстановлением способности приемника к регистрации импульсов. Поскольку понижается вероятность регистрации даже темновых импульсов, то кривая распределения в течение периода Hold-off может опуститься ниже фонового уровня. Статистика счета внутри периода искажается, а регистрируемые времена затухания занижаются. Для предотвращения этого в течение интервала, равного Hold-Off, должно регистрироваться не более одного импульса на 20-100 периодов, как и при классическом Pile-up эффекте. Но такой подход еще больше приближает верхнюю границу счета к темновому уровню (и понижая отношение сигнала к шуму), параллельно увеличивая время измерения.

Применение гейтированного ЛФД позволяет сократить время измерения, не ослабляя сигнал до уровня одного импульса на 20-100 периодов, а также не изменяя отношение сигнал/шум (что неизбежно при уменьшении интенсивности сигнала). Для этого нужно установить период следования гейтов фотоприемника чуть больше значения Hold-Off, чтобы приемник в течение периода Hold-Off включался не больше одного раза. На практике может устроить более частое следование гейтов. Рассмотрим несколько примеров.

Образец нанопористого кремния, люминесценция на длине волны 1150 нм (возбуждение 1057 нм), ширина гейта 50 нс. Измерения проведены при частоте следования гейтов 200кГц, 2МГц и 20 Мгц, а также при частоте 20МГц с ослаблением люминесценции в 20 и 200 раз добавлением светофильтров.

 

Рис. ХХ Изменение кривой затухания люминесценции нанопористого кремния. На графике указана частота следования гейтов. Обозначения /20 и /200 – ослабление сигнала светофильтром.

200kHz 2MHz 20MHz 20MHz /20
6,2мкс (6,0+0,4) 6,0 мкс + 0,97 мкс (5,4+0,7) 2,0 мкс + 0,46 мкс (1,9+0,5) 4,5 мкс (4,8+0,1)
480 сек 50 сек 6 сек 100 сек

 

Уменьшение частоты следования гейтов асимптотически ведет к истинному значению времени затухания. При избыточной частоте следования наблюдается провал, после которого сигнал частично восстанавливается к нормальному виду, но анализ такого сигнала затруднен. Уменьшение интенсивности сигнала люминесценции введением дополнительных фильтров ведет к падению полезного сигнала, не затрагивая уровень фона. Это ведет к большей длительности измерения для получения требуемого уровня сигнал/шум.

Другой пример – раствор PbS. Лазер 527нм, PbS, люминесценция 1200нм. Щели 3 мм, гейт 50нс.

Рис. Х …

Сравниваем времена

15МГц 5МГц 500кГц 50кГц
46нс (60%)/181 нс(40%) 91нс (60%)/254 нс(40%) 30нс (30%)/218 нс(70%) 46нс (40%)/234 нс(60%)
87нс 143 нс 172 нс 176нс
7минут ?? 11 минут 20 минут

 

Разница при аппроксимации одной экспонентой мала уже при 500 кГц, но данные двухкомпонентного анализа все равно заметно отличается от 50 кГц. Для сигнала на частоте 15 МГц видно провал в интервале 3-9 мкс вследствие наложения импульсов.

Еще один пример, на этот раз люминесценции кремния (длина волны 1150 нм, возбуждение 1057, светофильтр 1100 нм), показывает, что рассматриваемый эффект длительного интервала hold-off не всегда существенно влияет на данные.

50kHz 168ns 5MHz 168ns 25MHz 24ns
267нс 269нс 272нс
25 минут 8 минут 20 минут

Время изменяется в пределах погрешности и не меняется, хотя подъем уровня шума в районе 18 мкс, хоть и слабый, наблюдается. Вероятно, при малом проявлении «провалов» вследствие периода hold-off, если при этом измеряемое время относительно периода hold-off невелико (в нашем случае 270 нс против 15 мкс), наложение импульсов на результатах сказывается мало. Потому что при измерении микросекундных времен влияние оказывается заметное.

Помимо искажения формы кривой затухания, рассмотренный эффект вносит проблему определения уровня фона. Надежное проведение экспоненциального анализа часто требует вычитания фона для построения графика в логарифмическом масштабе. В случае проявления эффекта становится невозможно использовать уровень фона ни до импульса, ни после. Потому что уровень регистрируемого фона внутри интервала hold-off занижается и накладывается на измеряемый сигнал. Кривая затухания раскладывается на компоненты программным способом, но результаты все равно искажаются потому, что занижение фона не постоянно и зависит от временного смещения относительно импульса.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-12-07 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: